JP2018060757A - エゼクタ、燃料供給装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷運転時におけるエゼクタの昇圧効率を確保しつつ、低負荷運転時におけるエゼクタの昇圧効率を向上させる。
【解決手段】駆動流体の供給を受けるノズル部５３１と、駆動流体の流れに関してノズル部５３１の下流側に配置されたディフューザ部５３２と、を備え、ノズル部５３１からの駆動流体の噴射により生じる負圧により吸入流体を吸入し、噴射された駆動流体と吸入流体との混合流体を、ディフューザ部５３２を介して送出するエゼクタ５３であって、ノズル部５３１は、駆動流体を噴射する噴射孔として複数の噴射孔ｈ１、ｈ２を有し、複数の噴射孔ｈ１、ｈ２は、中心軸Ａｈ１、Ａｈ２が夫々ディフューザ部５３２のスロート部ＴＨを通過するように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エゼクタ、燃料をエゼクタの駆動流体とする燃料供給装置およびそのような燃料供給装置を備える燃料電池システムに関する。

特許文献１には、エゼクタの駆動流体として燃料電池の燃料を噴射する２つのインジェクタを備え、一方のインジェクタ（主供給インジェクタ）によりディフューザ部の中心軸に沿って燃料を噴射し、その上流側に配置された他方のインジェクタ（補助供給インジェクタ）により吸入されるアノードオフガスの流れに沿って燃料を噴射する燃料電池システムが開示されている（段落００２６〜００３１）。

特開２０１１−１７９３３３号公報

しかし、特許文献１では、２つのインジェクタが互いの中心軸が交差する関係で配置されているうえ、補助供給インジェクタがディフューザ部の中心軸に対して斜めに配置されていることから、補助供給インジェクタにより噴射された燃料が主供給インジェクタにより噴射された燃料と干渉したり、ディフューザ部のスロート部またはその近傍の壁面に衝突したりして、流れに損失が生じることが懸念される。

そこで、本発明の一形態では、駆動流体を噴射する噴射孔を有するノズル部と、駆動流体の流れに関してノズル部の下流側に配置された混合流路部と、を備えたエゼクタにおいて、ノズル部に複数の噴射孔を形成し、これら複数の噴射孔を、混合流路部のスロート部に向けて形成した。

本発明の一形態によれば、複数の噴射孔をいずれも混合流路部のスロート部に向けて形成することで、スロート部を通過する流れの損失を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るエゼクタを燃料供給装置に備える、燃料電池システムのアノード系の構成図である。 図２は、同上エゼクタを備える燃料供給装置の構成を示す断面図である。 図３は、同上エゼクタが有する噴射孔を示す拡大正面図である。 図４は、同上噴射孔の変更例を示す拡大正面図である。 図５は、同上噴射孔の他の変更例を示す拡大正面図である。 図６は、同上噴射孔のさらに別の変更例を示す拡大正面図である。 図７は、同上噴射孔のさらに別の変更例を示す拡大正面図である。 図８は、同上噴射孔のさらに別の変更例を示す拡大正面図である。 図９は、燃料供給装置の運転領域に応じた作動状態を示す説明図である。 図１０は、エゼクタの内部における吸入流体（アノードオフガス）の流れを概念的に示す説明図である。 図１１は、高負荷運転時におけるインジェクタ駆動信号を示す説明図である。 図１２は、中負荷運転時におけるインジェクタ駆動信号を示す説明図である。 図１３は、低負荷運転時におけるインジェクタ駆動信号を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（燃料電池システムの構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るエゼクタ５３を燃料供給装置１に備える燃料電池システムＳの構成を、アノード系を中心に示している。

本実施形態に係る燃料電池システムＳは、大別すると、燃料電池１０と、カソードガス給排機構１２と、アノードガス給排機構１４と、を備える。燃料電池１０は、発電装置を構成する。カソードガス給排機構１２は、燃料電池１０のカソード極に酸化剤を供給し、発電反応後のオフガス（カソードオフガス）を燃料電池１０から排出する機構である。アノードガス給排機構１４は、燃料電池１０のアノード極に燃料を供給し、発電反応後のオフガス（アノードオフガス）をアノード極に再度供給するとともに、アノードオフガスの一部を必要に応じて燃料電池システムＳの外部に排出する機構である。

燃料電池システムＳは、さらに、図示しない負荷装置を備えるとともに、加熱／冷却機構等の燃料電池１０の運転に必要な設備を適宜備える。本実施形態において、燃料電池システムＳは、車両に搭載され、負荷装置は、具体的には、車両走行用の電動モータである。燃料電池１０は、この電動モータに供給される電力のほか、車両の走行に必要な電力を発電する。

燃料電池１０は、膜電極接合体を一対のセパレータにより挟持して構成される燃料電池セルを積層して構成され、カソードガス給排機構１２を介して空気の供給を受けるとともに、アノードガス給排機構１４を介して水素ガスの供給を受け、空気中の酸素と水素との化学反応により発電する。本実施形態では、水素ガスと燃料電池１０のアノード極から循環されるアノードオフガスとの混合ガスがアノードガスであり、水素が燃料である。そして、空気がカソードガスであり、空気中の酸素が酸化剤である。水素ガスは、後に述べる高圧水素タンク１４１から供給され、空気は、大気中から取り込まれる。発電により生じた電気は、車両走行用の電動モータに供給され、この電動モータの駆動に用いられる。

カソードガス給排機構１２は、カソードガス供給通路１２１と、カソードガス排出通路１２２と、を備える。カソードガス供給通路１２１は、燃料電池１０のカソード極に供給される空気が流れる通路であり、カソードガス排出通路１２２は、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス供給通路１２１を介して大気中の空気が燃料電池１０のカソード極に供給され、カソードガス排出通路１２２を介してカソードオフガスが燃料電池システムＳの外部に放出される。

アノードガス給排機構１４は、高圧水素タンク１４１と、アノードガス供給通路１４２と、アノードオフガス循環通路１４３と、を備える。高圧水素タンク１４１は、燃料電池１０のアノード極に供給される水素ガスを高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。アノードガス供給通路１４２は、燃料電池１０のアノード極に供給される水素ガスが流れる通路であり、高圧水素タンク１４１と、燃料電池１０のアノード極のガス流入口と、の間に接続されている。高圧水素タンク１４１に貯蔵されている水素ガスは、アノードガス供給通路１４２を介して燃料電池１０のアノード極に供給される。アノードオフガス循環通路１４３は、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスをアノード極に再度供給するための通路であり、燃料電池１０のアノード極のガス流出口と、アノードガス供給通路１４２と、の間に接続されている。

本実施形態では、アノードガス供給通路１４２に圧力調節弁５１が介装され、圧力調節弁５１により、燃料電池１０のアノード極に供給される水素ガスの圧力（流量）が調節される。圧力調節弁５１の下流側には、２つのインジェクタ５２ａ、５２ｂが互いに対して並列に配置され、さらにその下流側にエゼクタ５３が設置されている。インジェクタ５２ａ、５２ｂおよびエゼクタ５３は、本実施形態に係る「燃料供給装置」を構成し、インジェクタ５２ａ、５２ｂは、「流量制御装置」を構成する。インジェクタ５２ａ、５２ｂは、エゼクタ５３のノズル部５３１に接続されており、圧力調節弁５１による制限を受けた水素ガスは、インジェクタ５２ａ、５２ｂを介してエゼクタ５３に供給され、エゼクタ５３から燃料電池１０のアノード極に供給される。圧力調節弁５１は、流路面積を可変に制御可能なものに限らず、単純な減圧弁として構成されてもよい。

エゼクタ５３は、アノードガス供給通路１４２とアノードオフガス循環通路１４３との接続部に設置されている。燃料電池１０のアノード極における発電反応に寄与せずに残った水素と、発電反応に際してカソード極からアノード極に漏洩した水分および窒素等の不純物と、を含んだアノードオフガスは、アノードオフガス循環通路１４３を介してエゼクタ５３に供給され、エゼクタ５３の内部でノズル部５３１を通じた水素ガスの噴流により形成される負圧の作用を受けてアノードガス供給通路１４２に吸入され、燃料電池１０のアノード極に循環される。

本実施形態では、アノードオフガス循環通路１４３にアノードオフガス排出通路１４４が接続されている。アノードオフガスの一部は、燃料電池システムＳからの不純物の排出等の必要に応じ、アノードオフガス循環通路１４３からアノードオフガス排出通路１４４に流入し、アノードオフガス排出通路１４４を介して燃料電池システムＳの外部に排出される。

高圧水素タンク１４１は、本実施形態に係る「燃料タンク」を構成する。そして、アノードガス供給通路１４２のうち、高圧水素タンク１４１とインジェクタ５２ａ、５２ｂとの間の部分が「燃料供給通路」に相当し、エゼクタ５３と燃料電池１０との間の部分が「混合流体供給通路」に相当する。

（制御システムの基本構成）
本実施形態において、燃料電池１０の運転状態は、コントロールユニット１０１により制御される。コントロールユニット１０１は、中央演算装置、記憶装置および入出力インターフェース等を備えた電子制御ユニットとして構成され、燃料電池システムＳに対する運転要求および燃料電池１０の実際の運転状態を検出する各種センサ１１１〜１１３等から信号を入力し、燃料電池１０に関する制御を実行するとともに、その一環として、燃料供給装置１の動作を制御する。アクセルセンサ１１１は、当該車両の運転者によるアクセルペダルの踏込量を示す信号を出力する。ＨＦＲ測定装置１１２は、燃料電池１０のセルを構成する電解質膜の湿潤度（ＨＦＲ測定値）を示す信号を出力する。さらに、スタック電流センサ１１３は、燃料電池１０が実際に生じさせている電流を示す信号を出力する。アクセルセンサ１１１は、本実施形態に係る「運転要求検出装置」を構成し、コントロールユニット１０１は、「運転状態制御装置」を構成する。

（燃料供給装置およびエゼクタの構成）
本実施形態において、燃料電池システムＳの燃料供給装置１は、エゼクタ５３と、エゼクタ５３に対する燃料（水素ガス）の供給流量を制御する２つのインジェクタ５２ａ、５２ｂと、から構成される。本実施形態では、「流量制御装置」として噴射孔ｈ１、ｈ２ごとに１つ、合計２つのインジェクタ５２ａ、５２ｂを採用しているが、インジェクタの数は、２つに限定されるものではなく、噴射孔の数に応じて適宜変更可能である。インジェクタは、噴射孔ごとに設けるばかりでなく、複数の噴射孔に対して１つのインジェクタを割り当ててもよく、その場合に、適宜に弁を設置することで、インジェクタが実際に燃料を供給する噴射孔を複数の噴射孔の間で切り換えることも可能である。本実施形態では、インジェクタ５２ａ、５２ｂの駆動機構にオン・オフソレノイドを採用したものを例示するが、インジェクタ５２ａ、５２ｂは、比例ソレノイドを採用したものであってもよい。

図２は、エゼクタ５３の構成を示す断面図である。図２（ａ）は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎに平行な縦方向の断面を示し、図２（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。

エゼクタ５３は、大別すると、ノズル部５３１と、混合流路部５３２と、吸入流体導入部５３３と、からなる。エゼクタ５３１は、駆動流体（本実施形態では、燃料である水素ガス）が有する圧力エネルギを、ノズル部５３１を通じて運動エネルギに変換し、ノズル部５３１の下流側、具体的には、ノズル部５３１の噴射孔ｈ１、ｈ２に連通する混合室Ｃに負圧を形成する。そして、この負圧の作用により吸入流体（本実施形態では、アノードオフガス）を混合室Ｃに吸い込み、噴射された水素ガスと吸い込まれたアノードオフガスとの混合ガスを混合流路部５３２に導入し、混合流路部５３２を介して混合ガスの圧力を回復させ、下流側に接続する通路（本実施形態では、アノードガス供給通路１４２）に送り出すものである。

本実施形態では、高圧水素タンク１４１から水素ガスの供給を受ける２つのインジェクタ５２ａ、５２ｂが連通管５４ａ、５４ｂを介してノズル部５３１に接続されており、ノズル部５３１には、２つの噴射孔ｈ１、ｈ２が形成されている。噴射孔ｈ１、ｈ２は、インジェクタ５２ａ、５２ｂに対して個別に接続されており、一方の噴射孔ｈ１に第１のインジェクタ５２ａが接続し、第１のインジェクタ５２ａから一方の連通管５４ａを介して噴射孔ｈ１に水素ガスが供給される。そして、他方の噴射孔ｈ２に第２のインジェクタ５２ｂが接続し、第２のインジェクタ５２ｂから他方の連通管５４ｂを介して噴射孔ｈ２に水素ガスが供給される。噴射孔ｈ１、ｈ２に供給される水素ガスの流量は、インジェクタ５２ａ、５２ｂにより個別に制御可能である。

噴射孔ｈ１、ｈ２は、それらの中心軸Ａｈ１、Ａｈ２がいずれも混合流路部５３２のスロート部ＴＨを通過するように形成されている。ここで、「通過する」とは、噴射孔ｈ１、ｈ２の中心軸Ａｈ１、Ａｈ２とスロート部ＴＨの壁面とが互いに接触しない、換言すれば、幾何学的に交差しないことを意味する。これにより、噴射孔ｈ１、ｈ２から噴射された水素ガスの流れに対するスロート部ＴＨ壁面の干渉が抑制され、流れの損失が低減される。スロート部ＴＨとは、混合流路部５３２のうち流路面積が最も縮小された狭小流路部分をいう。混合流路部５３２は、スロート部ＴＨの下流側に流路面積が徐々に拡大される拡大流路部Ｄを有する。流路面積の拡大に伴って混合ガスが減速し、圧力が回復する。本実施形態では、２つの噴射孔ｈ１、ｈ２が互いに等しい開口径ｄ１、ｄ２を有し（図３）、噴射孔ｈ１、ｈ２の中心軸Ａｈ１、Ａｈ２は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎに平行であり、互いに対して平行である。中心軸Ａｈ１、Ａｈ２が互いに平行であることで、噴射孔ｈ１、ｈ２から噴射された水素ガスの間で流れの干渉が抑制される。

吸入流体導入部５３３は、混合室Ｃに吸入される吸入流体が流れる通路であり、本実施形態では、一端が混合室Ｃに連通し、他端がアノードオフガス循環通路１４３に接続されている。アノードオフガス循環通路１４３を流れるアノードオフガスは、吸入流体導入部５３３を通じて混合室Ｃに導入される。ノズル部５３１の中心軸Ａｎに垂直な図２（ｂ）に示す断面において、上記２つの噴射孔ｈ１、ｈ２は、一方の噴射孔ｈ２が他方の噴射孔ｈ１よりも吸入流体導入部５３３の近くに位置する関係にある。

（ノズル部の構成）
図３は、エゼクタ５３のノズル部５３１をその中心軸Ａｎに沿って噴射方向の前方からみた状態を示す拡大正面図であり、噴射孔ｈ１、ｈ２相互の位置および寸法の相対関係を模式的に示している。

本実施形態では、図３（ａ）に示すように、ノズル部５３１に２つの噴射孔ｈ１、ｈ２が形成され、これら２つの噴射孔ｈ１、ｈ２は、開口径ｄ１、ｄ２が互いに等しく、混合室Ｃに対する吸入流体（アノードオフガス）の流入方向に並んで配置されている。そして、噴射孔ｈ１、ｈ２は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎから互いに等しい距離にあり、換言すれば、ノズル部５３１の中心軸Ａｎに沿った正面視で、それらの中心軸Ａｈ１、Ａｈ２の中間点がノズル部５３１の中心軸Ａｎと一致する関係にある。ここで、「噴射孔の位置」とは、その中心軸の位置をもって表すこととし、例えば、噴射孔ｈ１について、中心軸Ａｈ１の位置をもってその位置をいうものとする。さらに、「吸入流体の流入方向」とは、吸入流体導入部５３３におけるアノードオフガスの流線を混合室Ｃの内部に延長した直線をいい、本実施形態では、図２（ｂ）に矢印ａ１で示す方向をいう。よって、上記「吸入流体導入部５３３の近くに位置する」とは、例えば、噴射孔ｈ２について、噴射孔ｈ２を吸入流体導入部５３３から吸入流体の流入方向ａ１にみた場合に、噴射孔ｈ１よりも近くに位置する、と言い換えることができる。

（燃料供給装置の制御）
図９は、本実施形態に係る燃料供給装置１の運転領域に応じた作動状態を示す説明図である。図９（ａ）は、高圧水素タンク１４１から燃料電池１０への燃料（水素ガス）の供給流量が大きくなる高負荷運転時の状態を示し、同図（ｂ）は、水素ガスの供給流量が高負荷運転時よりも小さくなる低負荷運転時の状態を示す。

本実施形態では、高負荷運転時において、第１および第２のインジェクタ５２ａ、５２ｂを作動させ、２つの噴射孔ｈ１、ｈ２の双方を通じて水素ガスを噴射する。これにより、燃料電池１０に対してより多量の水素ガスを供給することが可能となる。そして、エゼクタ５３において、より大きな圧力エネルギをもってアノードオフガスを吸入することが可能となり、大きな負荷に見合うだけの昇圧性能を確保することができる。

これに対し、低負荷運転時では、第１のインジェクタ５２ａの運転を停止させる一方、第２のインジェクタ５２ｂを作動させることで、２つの噴射孔ｈ１、ｈ２のうち吸入流体導入部５３３に近い位置にある噴射孔ｈ２のみを通じて水素ガスを噴射する。これにより、駆動流体である水素ガスの供給流量の減少に対し、ノズル部５３１の流路面積を高負荷運転時と比べて実質的に減少させ、低負荷運転時における昇圧性能を向上させることができる。

図１０は、エゼクタ５３の内部での低負荷運転時における吸入流体（アノードオフガス）の流れを、噴射孔ｈ２の中心軸Ａｈ２上の位置での圧力変化と対比して示している。図２（ｂ）を併せて参照する。

本実施形態では、２つの噴射孔ｈ１、ｈ２を採用し、これら２つの噴射孔ｈ１、ｈ２を、混合室Ｃに対するアノードオフガスの流入方向ａ１に並べて配置する。これにより、混合室Ｃに導入されたアノードオフガスは、吸入流体導入部５３３に近い噴射孔ｈ２から噴射される水素ガスにより流れが過度に妨げられることなく、ノズル部５３１の中心軸Ａｎの周囲を旋回する。そして、アノードオフガスは、ノズル部５３１の中心軸Ａｎに対して吸入流体導入部５３３とは反対側の領域Ｒ（図１０に点線で示す）を通過し、噴射孔ｈ２から噴射された水素ガスとともに混合流路部５３２に流入する。このように、本実施形態では、エゼクタ５３の内部でアノードオフガスの「回り込み」が適正化され、混合室Ｃの空間全体を有効に活用することが可能となり、水素ガスとアノードオフガスとの間の効率的なエネルギ交換を実現することができる。

さらに、本実施形態では、高負荷運転領域と低負荷運転領域との間の負荷領域で運転する中負荷運転時において、噴射孔ｈ２に接続する第２のインジェクタ５２ｂを連続的に作動させる一方、噴射孔ｈ１に接続する第１のインジェクタ５２ａの開閉頻度を制御することで、水素ガスの供給流量を制御する。

図１１〜１３は、インジェクタ５２ａ、５２ｂの駆動ユニットがソレノイド（本実施形態では、オン・オフソレノイド）に印加するインジェクタ駆動パルスを、燃料電池システムＳの運転領域ごとに示している。図１１は、高負荷運転時におけるインジェクタ駆動パルスを示し、図１２は、中負荷運転時におけるインジェクタ駆動パルスを示し、図１３は、低負荷運転時におけるインジェクタ駆動パルスを示している。本実施形態では、第１のインジェクタ５２ａの動作と第２のインジェクタ５２ｂの動作とを同期させているが、これらの動作は、必ずしも完全に同期させることが必要となるものではない。

高負荷運転時（図１１）では、第１および第２のインジェクタ５２ａ、５２ｂに印加される駆動パルスのデューティ比を同程度に設定し、双方のインジェクタ５２ａ、５２ｂを連続的に作動させる。駆動パルスのデューティ比を燃料電池１０の要求発電電力に応じて調節することで、必要供給流量の水素ガスを燃料電池１０のアノード極に供給することが可能である。

中負荷運転時（図１２）では、第２のインジェクタ５２ｂに印加される駆動パルスのデューティ比を大きく設定して、第２のインジェクタ５２ｂを連続的に作動させる一方、第１のインジェクタ５２ａに印加される駆動パルスのデューティ比を、必要供給流量に対する不足分を補う程度に設定する。

図１２（ａ）は、第１のインジェクタ５２ａを連続的に作動させながら、駆動パルスのデューティ比を減少させる場合の例を示している。図１２（ｂ）は、一駆動当たりのデューティ比を大きく維持しつつ、第１のインジェクタ５２ａを間欠的に作動させる場合の例を示している。

低負荷運転時（図１３）では、第２のインジェクタ５２ｂに印加される駆動パルスのデューティ比を水素ガスの供給流量に応じて設定する一方、第１のインジェクタ５２ａに印加される駆動パルスのデューティ比を０（ゼロ）とし、第１のインジェクタ５２ａの運転を停止させる場合の例を示している。

（作用効果の説明）
本実施形態に係る燃料電池システムＳは、以上のように構成され、以下、本実施形態により得られる効果をまとめる。

第１に、本実施形態では、燃料供給装置１を構成するエゼクタ５３において、燃料（水素ガス）を噴射する噴射孔として２つの噴射孔ｈ１、ｈ２を形成し、高負荷運転時には、これら２つの噴射孔ｈ１、ｈ２の双方を介して水素ガスを噴射し、低負荷運転時には、これらのうち一方の噴射孔ｈ２のみを介して水素ガスを噴射することとした。このように、複数の噴射孔ｈ１、ｈ２を形成し、実際の噴射に用いる噴射孔を運転領域に応じて切り換えることで、高負荷運転時における水素ガスの供給流量を確保しつつ、低負荷運転時におけるエゼクタ５３の昇圧性能を向上させ、広い運転領域に亘って水素ガスの供給流量と昇圧性能との両立を図ることができる。

ここで、２つの噴射孔ｈ１、ｈ２の中心軸Ａｈ１、Ａｈ２がいずれも混合流路部５３２のスロート部ＴＨを通過することで、噴射された水素ガスとスロート部ＴＨの壁面との衝突が回避され、流れの損失を抑制することができる。

さらに、噴射孔ｈ１、ｈ２の中心軸Ａｈ１、Ａｈ２が互いに平行であることで、噴射された水素ガス同士の干渉を抑制することができるので、流れの損失をさらに低減することが可能となる。

第２に、エゼクタ５３において、ノズル部５３１と混合流路部５３２のスロート部ＴＨとの間に混合室Ｃを設けたことで、吸入流体であるアノードオフガスに対して負圧を良好に作用させ、混合流路部５３２にアノードオフガスを円滑に導入することができる。

そして、２つの噴射孔ｈ１、ｈ２のうち一方（ｈ２）を他方の噴射孔ｈ１よりも吸入流体導入部５３３に近い位置に配置したことで、混合室Ｃにおけるアノードオフガスの流れの適正化を通じて水素ガスとアノードオフガスとの間のエネルギ交換を効率的に行わせ、エゼクタ５３の昇圧性能をさらに向上させることができる。

第３に、燃料電池システムＳのアノード系にエゼクタ５３を備えた燃料供給装置１を搭載し、エゼクタ５３に対し、駆動流体として燃料である水素ガスを供給し、吸入流体としてアノードオフガスを供給することで、高圧水素タンク１４１から供給される水素ガスの圧力エネルギを利用してアノードオフガスを吸入し、アノードガス供給通路１４２を介して燃料電池１０に循環させることができる。このことは、効率的な燃料電池システムＳの構築に資するものである。

（他の実施形態の説明）
以上の説明では、２つの噴射孔ｈ１、ｈ２を採用するとともに、噴射孔ｈ１、ｈ２の開口径ｄ１、ｄ２を互いに等しく設定し、ノズル部５３１の中心軸Ａｎから互いに等しい距離に配置する例について説明した。しかし、ノズル部５３１に形成される噴射孔の数、寸法および配置は、これに限定されるものではなく、エゼクタ５３に求められる昇圧性能に応じて適宜変更することが可能である。

図４〜８は、図３と同じく、エゼクタ５３のノズル部５３１をその中心軸Ａｎに沿って噴射方向の前方からみた状態を示す拡大正面図であり、噴射孔の数を示すとともに、噴射孔相互の位置および寸法の相対関係を模式的に示している。図３（ｂ）および図４〜８を参照して、噴射孔の変更例について説明する。

図３（ｂ）は、噴射孔ｈ１１、ｈ２１の数および寸法の相互関係は先の例（同図（ａ））から変更せず、配置を変更した場合の例を示している。具体的には、２つの噴射孔ｈ１１、ｈ２１が形成され、噴射孔ｈ１１、ｈ２１は、開口径ｄ１、ｄ２が互いに等しく、混合室Ｃに対するアノードオフガスの流入方向に並んで配置される一方、中心軸Ａｈ１、Ａｈ２の中間点がノズル部５３１の中心軸Ａｎからずらして配置されている。換言すれば、２つの噴射孔ｈ１１、ｈ２１がノズル部５３１に対してオフセットして配置されている。本実施形態では、ノズル部５３１の中心軸Ａｎに沿った正面視で、一方の噴射孔ｈ１１がノズル部５３１の中心軸Ａｎ上に配置され、他方の噴射孔ｈ２１がノズル部５３１の中心軸Ａｎよりも吸入流体導入部５３３に近い位置に配置されている。

このように、噴射孔ｈ１１、ｈ２１をノズル部５３１に対してオフセットして配置することで、特に２つの噴射孔ｈ１１、ｈ２１の双方を介して水素ガスを噴射する高負荷運転時において、吸入流体導入部５３３とは反対側の領域Ｒ（図１０）へのアノードオフガスの回り込みを容易にし、水素ガスとアノードオフガスとの間のエネルギ交換をより効率的なものとすることができる。

図４および５は、図３（ａ）に示す例に対して噴射孔の数および配置を変更した場合の例を示している。

図４（ａ）および（ｂ）に示すのは、３つの噴射孔ｈ１〜ｈ３を採用した場合の例である。

図４（ａ）では、３つの噴射孔ｈ１〜ｈ３が形成され、噴射孔ｈ１〜ｈ３は、開口径ｄがいずれも等しく、混合室Ｃに対するアノードオフガスの流入方向に対して一列に並んで配置されている。そして、３つの噴射孔ｈ１〜ｈ３のうち１つ（噴射孔ｈ２）は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎ上に配置され、他の２つ（噴射孔ｈ１、ｈ３）は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎから互いに等しい距離に配置されている。

図４（ｂ）では、３つの噴射孔ｈ１１〜ｈ３１が三角形の頂点に位置し、三角形の３つの辺に囲まれた範囲にノズル部５３１の中心軸Ａｎが位置する関係に配置されている。本実施形態において、噴射孔ｈ１１〜ｈ３１が頂点に位置する三角形は、三辺の長さが等しい正三角形である。そして、噴射孔ｈ１１〜ｈ３１は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎからいずれも等しい距離にあり、１つの噴射孔ｈ３１が他の２つの噴射孔ｈ１１、ｈ２１よりも吸入流体導入部５３３に近い位置に配置されている。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すのは、４つの噴射孔ｈ１〜ｈ４を採用した場合の例である。

図５（ａ）では、４つの噴射孔ｈ１〜ｈ４が形成され、噴射孔ｈ１〜ｈ４は、開口径ｄがいずれも等しく、混合室Ｃに対するアノードオフガスの流入方向に対して一列に並んで配置されている。そして、４つの噴射孔ｈ１〜ｈ４のうち両端に配置された２つ（噴射孔ｈ１、ｈ４）は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎから互いに等しい距離にあり、他の２つ（噴射孔ｈ２、ｈ３）は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎから互いに等しく、噴射孔ｈ１、ｈ４よりも中心軸Ａｎに近い位置に配置されている。

図５（ｂ）では、４つの噴射孔ｈ１１〜ｈ４１が四角形の頂点に位置し、四角形の４つの辺に囲まれた範囲にノズル部５３１の中心軸Ａｎが位置する関係に配置されている。本実施形態において、噴射孔ｈ１１〜ｈ４１が頂点に位置する四角形は、四辺の長さが等しい正四角形である。そして、噴射孔ｈ１１〜ｈ４１は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎからいずれも等しい距離にあり、四角形の１つの頂点に対応する位置の噴射孔ｈ３１が他の全ての噴射孔ｈ１１、ｈ２１、ｈ４１よりも吸入流体導入部５３３に近い位置に配置されている。

図５（ｃ）では、４つの噴射孔ｈ１２〜ｈ４２のうち３つ（噴射孔ｈ２２、ｈ３２、ｈ４２）が三角形の頂点に位置し、三角形の３つの辺に囲まれた範囲にノズル部５３１の中心軸Ａｎが位置する関係に配置されている。そして、残る１つの噴射孔ｈ１２は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎ上に配置されている。噴射孔ｈ２２〜ｈ４２は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎからいずれも等しい距離にあり、１つの噴射孔ｈ３２が他の２つの噴射孔ｈ２２、ｈ４２および中央の噴射孔ｈ１２よりも吸入流体導入部５３３に近い位置に配置されている。

図６は、図３（ａ）および（ｂ）に示す例に対して噴射孔の寸法を変更した場合の例を示し、図７および８は、噴射孔の数、寸法および配置の全てを変更した場合の例を示している。

図６（ａ）は、噴射孔ｈ１、ｈ２の数および配置の相互関係は図３（ａ）に示す例から変更せず、寸法を変更した場合の例を示している。具体的には、２つの噴射孔ｈ１、ｈ２が形成され、噴射孔ｈ１、ｈ２は、混合室Ｃに対するアノードオフガスの流入方向に並んで配置され、ノズル部５３１の中心軸Ａｎから互いに等しい距離にある。ここで、先の例に対する変更点として、ノズル部５３１の中心軸Ａｎに沿った正面視で、２つの噴射孔ｈ１、ｈ２のうち吸入流体導入部５３３に近い位置にある噴射孔ｈ２が、他の噴射孔ｈ１（開口径ｄ１）よりも小さな開口径ｄ２に設定されている。

このように、噴射孔ｈ１、ｈ２の開口径ｄ１、ｄ２を互いに異ならせることで、エゼクタ５３に対する燃料（水素ガス）の供給流量に応じて適切な開口径の噴射孔を選択することが可能となる。よって、高負荷運転時における水素ガスの供給流量を確保しつつ、低負荷運転時における昇圧性能をさらに向上させ、水素ガスの供給流量と昇圧性能とを一層良好に両立させることができる。そして、図６（ａ）に示すように、吸入流体導入部５３３に近い位置にある噴射孔ｈ２の開口径ｄ２をより小さく設定することで、水素ガスの供給流量の減少に対し、噴射孔ｈ２の選択により、等しい開口径ｄ１、ｄ２の場合と比べてノズル部５３１の流路面積をさらに減少させることが可能となる。よって、水素ガスの供給流量が小さい条件にあっても混合室Ｃに相応の負圧を生じさせることが可能となり、より低負荷側の領域に至るまでエゼクタ５３の昇圧性能を向上させることができる。

図６（ｂ）は、図３（ｂ）に示す例に対して噴射孔ｈ１１、ｈ２１寸法を変更した場合の例を示している。具体的には、２つの噴射孔ｈ１１、ｈ２１のうち吸入流体導入部５３３に近い位置にある噴射孔ｈ２１が、他の噴射孔ｈ１１よりも小さな開口径に設定されている。噴射孔ｈ１１、ｈ２１が混合室Ｃに対するアノードオフガスの流入方向に並んで配置されるとともに、ノズル部５３１に対してオフセットして配置されていることは、図３（ｂ）におけると同様である。

図７（ａ）および（ｂ）に示すのは、図６に示す例に対して噴射孔ｈ１〜ｈ３の数を３つに変更した場合の例である。

図７（ａ）では、３つの噴射孔ｈ１〜ｈ３が形成され、噴射孔ｈ１〜ｈ３は、混合室Ｃに対するアノードオフガスの流入方向に対して一列に並んで配置され、１つの噴射孔ｈ２がノズル部５３１の中心軸Ａｎ上に配置され、他の２つの噴射孔ｈ１、ｈ３がノズル部５３１の中心軸Ａｎから互いに等しい距離に配置されている。３つの噴射孔ｈ１〜ｈ３のうち吸入流体導入部５３３に近い２つ（噴射孔ｈ２、ｈ３）が、他の１つ（噴射孔ｈ１）よりも小さな開口径に設定されている。他に比べて小さな開口径に設定する噴射孔は、吸入流体導入部５３３に最も近い位置にある噴射孔ｈ３のみであってもよい。

図７（ｂ）では、３つの噴射孔ｈ１１〜ｈ３１が三角形の頂点に位置し、三角形の３つの辺に囲まれた範囲にノズル部５３１の中心軸Ａｎが位置する関係に配置されている。噴射孔ｈ１１〜ｈ３１は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎからいずれも等しい距離にあり、それらのうち１つ（噴射孔ｈ３１）が他の２つ（噴射孔ｈ１１、ｈ２１）よりも吸入流体導入部５３３に近い位置に配置され、最も小さな開口径に設定されている。

図８（ａ）〜（ｃ）に示すのは、噴射孔ｈ１〜ｈ４の数をさらに４つに変更した場合の例である。

図８（ａ）では、４つの噴射孔ｈ１〜ｈ４が形成され、噴射孔ｈ１〜ｈ４は、混合室Ｃに対するアノードオフガスの流入方向に対して一列に並べて、互いに等しい間隔で配置され、両端に配置された２つの噴射孔ｈ１、ｈ４の中間点がノズル部５３１の中心軸Ａｎ上に位置する関係に配置されている。４つの噴射孔ｈ１〜ｈ４のうち吸入流体導入部５３３に最も近い噴射孔ｈ４が、それ以外の３つの噴射孔ｈ１〜ｈ３よりも小さな開口径に設定されている。

図８（ｂ）では、４つの噴射孔ｈ１１〜ｈ４１が四角形の頂点に位置し、四角形の４つの辺に囲まれた範囲にノズル部５３１の中心軸Ａｎが位置する関係に配置されている。噴射孔ｈ１１〜ｈ４１は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎからいずれも等しい距離にあり、四角形の１つの頂点に対応する位置の噴射孔ｈ３１が他の３つの噴射孔ｈ１１、ｈ２１、ｈ４１よりも吸入流体導入部５３３に近い位置に配置され、最も小さな開口径に設定されている。

図８（ｃ）では、４つの噴射孔ｈ１２〜ｈ４２のうち３つ（噴射孔ｈ２２、ｈ３２、ｈ４２）が三角形の頂点に位置し、三角形の３つの辺に囲まれた範囲にノズル部５３１の中心軸Ａｎが位置する関係に配置され、残る１つの噴射孔ｈ１２がノズル部５３１の中心軸Ａｎ上に配置されている。噴射孔ｈ２２〜ｈ４２は、ノズル部５３１の中心軸Ａｎからいずれも等しい距離にあり、吸入流体導入部５３３に最も近い噴射孔ｈ３２が、他の全ての噴射孔ｈ１２、ｈ２２、ｈ４２よりも小さな開口径に設定されている。

このように、ノズル部５３１の噴射孔の数、寸法および配置は、エゼクタ５３に求められる昇圧性能に応じて適宜変更することができ、上記以外の設定を採用することも可能である。

さらに、以上の説明では、ノズル部５３１に設けられる噴射孔のうち吸入流体導入部５３３に近いものほど小さな開口径に設定したが、このような設定に限らず、吸入流体導入部５３３から遠い位置にある噴射孔を他の噴射孔よりも小さな開口径に設定してもよい。アノードガスの流入方向に対する噴射孔の配置および運転領域に応じた噴射孔の選択により、エゼクタ５３の内部でのアノードオフガスの回り込みを適正化し、水素ガスとアノードオフガスとの間でのエネルギ交換の効率化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において、様々な変更および修正を成し得ることはいうまでもない。

Ｓ…燃料電池システム
１…燃料供給装置
１０…燃料電池
１２…カソードガス給排機構
１４…アノードガス給排機構
５２ａ…第１のインジェクタ
５２ｂ…第２のインジェクタ
５３…エゼクタ
５３１…ノズル部
５３２…混合流路部
５３３…吸入流体導入部
Ｃ…混合室
ＴＨ…スロート部
Ａｎ…ノズル部の中心軸
ｈ１、ｈ２…噴射孔
Ａｈ１、Ａｈ２…噴射孔の中心軸
１４１…高圧水素タンク
１４２…アノードガス供給通路
１４３…アノードオフガス循環通路
１４４…アノードオフガス排出通路
１０１…コントロールユニット
１１１…アクセルセンサ
１１２…ＨＦＲ測定装置
１１３…スタック電流センサ

Claims (12)

1. 駆動流体の供給を受けるノズル部と、
   前記駆動流体の流れに関して前記ノズル部の下流側に配置された混合流路部と、
   を備え、
   前記ノズル部からの前記駆動流体の噴射により生じる負圧により吸入流体を吸入し、噴射された駆動流体と前記吸入流体との混合流体を、前記混合流路部を介して送出するエゼクタであって、
   前記ノズル部は、前記駆動流体を噴射する噴射孔として複数の噴射孔を有し、
   前記複数の噴射孔は、前記混合流路部のスロート部に向けて形成された、エゼクタ。
2. 前記複数の噴射孔は、中心軸が夫々前記混合流路部のスロート部を通過するように形成された、請求項１に記載のエゼクタ。
3. 前記複数の噴射孔は、前記中心軸が互いに平行に配置された、請求項２に記載のエゼクタ。
4. 前記ノズル部と前記混合流路部のスロート部との間に前記負圧が形成される混合室を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のエゼクタ。
5. 前記混合室と連通し、前記混合室に前記吸入流体を導入する吸入流体導入部をさらに備える、請求項４に記載のエゼクタ。
6. 前記複数の噴射孔は、第１の噴射孔と、前記第１の噴射孔よりも前記吸入流体導入部に近い第２の噴射孔とを有する、請求項５に記載のエゼクタ。
7. 前記第１および第２の噴射孔は、開口径が互いに異なる、請求項６に記載のエゼクタ。
8. 前記第２の噴射孔は、前記第１の噴射孔よりも開口径が小さい、請求項７に記載のエゼクタ。
9. 前記駆動流体が燃料であり、
   前記複数の噴射孔に供給される前記燃料の流量を個別に制御する流量制御装置をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のエゼクタ。
10. 前記流量制御装置は、前記エゼクタに対する燃料の供給流量が大きくなる高負荷運転時において、前記第１および第２の噴射孔の双方に前記燃料を供給する、請求項９に記載の燃料供給装置。
11. 前記流量制御装置は、前記エゼクタに対する燃料の供給流量が小さくなる低負荷運転時において、前記第１および第２の噴射孔のうち前記第２の噴射孔のみに前記燃料を供給する、請求項９または１０に記載の燃料供給装置。
12. 燃料および酸化剤の供給を受けて発電する燃料電池と、
    前記燃料を貯蔵する燃料タンクと、
    ノズル部と、駆動流体の流れに関して前記ノズル部の下流側に配置された混合流路部と、を備え、前記ノズル部からの前記駆動流体の噴射により生じる負圧により吸入流体を吸入し、噴射された駆動流体と前記吸入流体との混合流体を、前記混合流路部を介して送出するエゼクタと、
    前記燃料タンクと前記エゼクタとを接続し、前記エゼクタに、前記駆動流体として前記燃料タンクに貯蔵されている燃料を導入する燃料供給通路と、
    前記エゼクタと前記燃料電池とを接続し、前記燃料電池のアノード極に前記混合流体を導入する混合流体供給通路と、
    前記燃料電池のアノードオフガスを、前記吸入流体として前記エゼクタに導入するアノードオフガス循環通路と、
    前記燃料電池システムに対する運転要求を検出する運転要求検出装置と、
    前記運転要求検出装置からの信号をもとに前記燃料電池の運転状態を制御する運転状態制御装置と、を備え、
    前記エゼクタは、前記駆動流体を噴射する噴射孔として、前記ノズル部に複数の噴射孔を有するとともに、前記複数の噴射孔に供給される前記燃料の流量を個別に制御する流量制御装置をさらに備え、
    前記複数の噴射孔は、前記混合流路部のスロート部に向けて形成され、
    前記運転状態制御装置は、前記運転要求検出装置からの信号をもとに前記流量制御装置の動作を制御する、燃料電池システム。

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